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Räumliche Muster der Erwärmung

Die Erwärmung seit Mitte des 19. Jahrhunderts ist keineswegs überall auf der Erde gleichmäßig erfolgt. Es gibt Unterschiede zwischen Land und Meer, zwischen niederen und hohen Breiten, zwischen unterer und oberer Atmosphäre.

Land und Ozean

Analysen von Daten der geologischen Vergangenheit, historische Beobachtungen und Modellsimulationen haben gezeigt, dass sich das Land schneller als der Ozean erwärmt (Abb. 1). So betrug die Temperaturdifferenz zwischen 2011-2020 und 1850-1900 über dem Land 1,59 °C, die der Oberflächentemperatur des Ozeans aber nur 0,88 °C. D.h. die globalen Landtemperaturen erhöhten sich in diesem Zeitraum ungefähr doppelt so stark wie die Meeresoberflächentemperaturen. Die Ursache liegt nicht nur in der unterschiedlichen Wärmekapazität zwischen Wasser und Land. Nicht weniger wichtig sind andere Faktoren wie die verschieden starke Verdunstung, Feedbackprozesse zwischen Land und Klima und der Einfluss anthropogener Aerosole.1

Temperatur Land Ozean 1850-2020


Abb.1: Globale Jahresmitteltemperaturen 1850-2020 über dem Land und über dem Ozean, relativ zum Mittel 1850-1900.B1

Die Erwärmung der Atmosphäre durch die Erhöhung der Treibhausgaskonzentration führt dazu, dass die Atmosphäre mehr Wasserdampf aufnehmen kann. Dadurch wird über dem Land und über dem Meer die Verdunstung verstärkt. Aufgrund der nahezu unbegrenzt zur Verfügung stehenden Wassermenge nimmt die Verdunstung über dem Meer infolge des Klimawandels stärker zu als über dem Land. Da Verdunstung abkühlend wirkt, erwärmt sich das Meer weniger stark. Die regional unterschiedliche Erwärmung des Ozeans ist auf der einen Seite stark von den Meeresströmungen und ihrer Veränderung abhängig. So wird die auffällige Abkühlung im Nordatlantik auf eine Abschwächung des Nordatlantikstroms zurückgeführt. Auf der anderen Seite spielt das Abschmelzen des Meereises in der Arktis eine Rolle. Allerdings wird dadurch das Oberflächenwasser des Nordpolarmeers abgekühlt, da weniger Eisbedeckung in der Polarnacht im Winter zu einer starken Wärmeabgabe des Ozeans an die Atmosphäre führt.

Über dem Land spielen zusätzliche Feedbackprozesse zwischen der Landbedeckung und der Atmosphäre eine Rolle, die vor allem die Albedo beeinflussen. Durch die Erwärmung schmelzen auf der einen Seite Eis- und Schneeflächen ab, wodurch weniger Sonneneinstrahlung reflektiert und mehr absorbiert wird, was zur Folge hat, dass sich die Luft über der Landoberfläche erwärmt. Andererseits breitet sich durch höhere Temperaturen die Bedeckung mit Wald und Strauchvegetation nach Norden und in die Höhe aus, was ebenfalls dunklere Flächen schafft und die Albedo verringert. Die Änderung der Vegetation beeinflusst außerdem den Kohlenstoffkreislauf und weitere Wechselwirkungen zwischen Land und Atmosphäre, die hier nur erwähnt werden sollen (s.u. "Auch interessant"). Ebenso bewirkt eine Temperaturerhöhung vor allem in hohen Breiten ein Auftauen von Permafrost, wodurch Kohlendioxid und Methan freigesetzt werden und das Klima weiter erwärmen. Allerdings wird eine nennenswerte Freisetzung von Kohlenstoff durch tauenden Permafrost nach neueren Modelluntersuchungen nicht vor 2100 erfolgen.3 Ein weiterer und regional sehr unterschiedlich wirkender Einflussfaktor auf die Temperatur sind anthropogene, durch menschliche Aktivitäten entstehende Aerosole, die insgesamt eine abkühlende Wirkung haben. Sulfat-Aerosole, die bei der Verbrennung fossiler Energieträger entstehen, haben nach dem 2. Weltkrieg vor allem über Europa und Nordamerika den Klimawandel gedämpft. Seit den 1990er Jahren hat sich die Aerosol-Verbreitung nach Ostasien und den pazifischen Raum verlagert und ist nicht mehr so stark über dem Land konzentriert wie zuvor.4

Erwärmung auf dem Land

Temperatur global2016-2020


Abb.2:
Temperaturdifferenz 2016-2020 im Vergleich zum Beginn des 20. Jahrhunderts (1901-1930)B2

Die erwähnten Prozesse führen zu einer sehr unterschiedlichen Erwärmung der 2m-Temperatur über dem Land. Abb. 2 zeigt den Temperaturunterschied zwischen der 5-Jahresperiode 2016-2020 und dem Beginn des 20. Jahrhunderts 1901-1930. Der stärkste Temperaturanstieg wurde mit 2-4 °C und mehr auf den Kontinenten der mittleren und höheren Breiten der Nordhalbkugel beobachtet, besonders über Eurasien. Auf der südlichen Hemisphäre ist der Temperaturanstieg wegen der großen Wassermassen insgesamt geringer als auf der nördlichen. Aber auch die Temperaturen auf den flächenmäßig kleineren Landgebieten sind hier deutlich weniger stark angestiegen als auf der Nordhalbkugel, u.a. weil sie dem Einfluss des Ozeans stärker ausgesetzt sind. Ein weiterer Grund liegt darin, dass die Tropen einen größeren Anteil an den Landflächen der Südhalbkugel haben als an denen der Nordhalbkugel. Da in den Tropen auch über dem Land ausreichend Feuchtigkeit vorhanden ist, wirkt hier die Verdunstung der anthropogenen Erwärmung entgegen. Die Kontinente auf der Nordhalbkugel befinden sich dagegen vor allem in mittleren und nördlichen Breiten. Im Winterhalbjahr liegen große Teile unter einer ausgedehnten Schneedecke, die durch die globale Erwärmung mehr und mehr abnimmt. Dadurch wird die Sonnenstrahlung zunehmend weniger reflektiert und von den Landflächen absorbiert, was die Atmosphäre darüber erwärmt. Diese Schnee-Albedo-Rückkopplung ist ein wesentlicher Grund für die starke Erwärmung der mittleren und hohen Breiten Eurasiens und Nordamerikas.

Untere und obere Atmosphäre

Neben dem horizontalen zeigt der Temperaturwandel der letzten Jahrzehnte auch ein charakteristisches vertikales Muster. Die Auswertung neuerer Satelliten- und Radiosondendaten hat auch für die Troposphäre, die untere Schicht der Atmosphäre bis ca. 10 km Höhe, insgesamt eine Erwärmung ergeben, die je nach Datensatz zwischen 0.04°C bis 0.20°C pro Jahrzehnt für 1979 bis 2004 beträgt. Die untere Stratosphäre (in den Tropen ab 16-17 km und in den höheren Breiten ab 8-10 km Höhe) zeigt dagegen eine deutliche Temperaturabnahme (Abb. 3) von 1-3 °C für den Zeitraum 1979-2018. Pro Jahrzehnt beträgt der Abkühlungstrend 0,25 °C. Dieser Trend wird in der ersten Hälfte der Periode durch zwei markante, aber kurzfristige (1-2 Jahre lange) Erwärmungsphasen unterbrochen, verursacht durch die Vulkanausbrüche des El Chichon (1982) und des Pinatubo (1991). Ab 1998 schwächt sich die Abkühlung der unteren Stratosphäre deutlich ab. Als Ursache für die stratosphärische Abkühlung insgesamt werden die Ozon-Zerstörung durch FCKW und die Zunahme von Treibhausgasen in der Troposphäre angenommen. Die Abschwächung der Abkühlung der unteren Stratosphäre wird auf die Zunahme des Ozon-Gehalts seit ca. 1998 zurückgeführt.5 Nebenbei erwähnt, ist die Abkühlung der Stratosphäre auch ein Beleg dafür, dass die Temperaturänderungen der letzten Jahrzehnte durch den Menschen verursacht wurden. Wäre die Sonne, wie manchmal behauptet, der Grund dafür, müsste sich auch die obere Atmosphäre erwärmen.

Temperatur Stratosphäre 1979-2018

Abb.3: Änderung der Temperatur 1979-2018 in der unteren Stratosphäre als Abweichung vom Mittelwert 1980-2018 B3

Anmerkungen:
1. IPCC (2019): Climate Change and Land: an IPCC special report on climate change, desertification, land degradation, sustainable land management, food security, and greenhouse gas fluxes in terrestrial ecosystems, 2.2.1.2
2. IPCC (2021): Technical Summary, in: Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Cross-Section Box TS.1
3. IPCC (2019): Climate Change and Land: an IPCC special report on climate change, desertification, land degradation, sustainable land management, food security, and greenhouse gas fluxes in terrestrial ecosystems, 2.5.3
4. Wallace, C. J., and M. Joshi (2018): Comparison of land-ocean warming ratios in updated observed records 25 and CMIP5 climate models. Environ. Res. Lett., 13, doi:10.1088/1748-9326/aae46f
5. Steiner, A. K., F. Ladstädter, W.J. Randel et al. (2020). Observed Temperature Changes in the Troposphere and Stratosphere from 1979 to 2018, Journal of Climate, 33(19), 8165-8194 

Bildquellen:
B1. Berkeley Earth (2021): Global Temperature for 2020; Lizenz: CC BY
B2. NASA (2021): GISS Surface Temperature Analysis (v4), https://data.giss.nasa.gov/gistemp/maps/; Lizenz: public domain
B3. Steiner, A. K., F. Ladstädter, W.J. Randel et al. (2020). Observed Temperature Changes in the Troposphere and Stratosphere from 1979 to 2018, Journal of Climate, 33(19), 8165-8194. https://journals.ametsoc.org/view/journals/clim/33/19/jcliD190998.xml; Lizenz: CC BY http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/